Оценка саморегуляции мозгового кровного потока в Крысе с помощью лазерной доплеровской флоуметрии
Summary
Данная статья демонстрирует использование лазерной доплеровской течетметрии для оценки способности мозгового кровообращения ауторегулировать его кровоток во время снижения артериального артериального давления.
Abstract
При исследовании механизмов организма для регулирования мозгового кровотока, относительное измерение микроциркулятора кровотока может быть получено с помощью лазерной доплеровской течететрии (LDF). В этой статье показан закрытый препарат черепа, который позволяет оценивать мозговой кровоток без проникновения в череп или установки камеры или окна головного мозга. Для оценки механизмов авторегуляторов, модель контролируемого снижения артериального давления через градуированные кровоизлияния могут быть использованы при одновременном использовании LDF. Это позволяет в режиме реального времени отслеживать относительные изменения в кровотоке в ответ на снижение артериального кровяного давления, вызванного выводом циркулирующего объема крови. Эта парадигма является ценным подходом к изучению саморегуляции мозгового кровотока во время снижения артериального кровяного давления и, с незначительными изменениями в протоколе, также ценна как экспериментальная модель геморрагического шока. В дополнение к оценке ауторегуляторных реакций, LDF может быть использован для мониторинга коркового кровотока при исследовании метаболических, миогенных, эндотелиальных, гуморальных или нейронных механизмов, которые регулируют мозговой кровоток и влияние различных экспериментальных вмешательства и патологические состояния мозгового кровотока.
Introduction
Авторегуляторные механизмы в мозговой циркуляции играют решающую роль в поддержании гомеостаза и нормальной функции в головном мозге. На аутореерегрецию мозгового кровотока влияют многочисленные факторы, включая частоту сердечных приступов, скорость крови, перфузионное давление, диаметр артерий мозгового сопротивления и микроциркуляторационное сопротивление, которые играют роль в поддержании общего мозгового кровотока в головном мозге в течение физиологического диапазона системных кровяных давлений. Когда артериальное давление увеличивается, эти механизмы сужают артериолы и артерии сопротивления, чтобы предотвратить опасное повышение внутричерепного давления. Когда артериальное кровяное давление уменьшается, местные механизмы контроля удаляются артериолы для поддержания перфузии тканей и O2 доставки. Различные патологические условия, такие как гиперкапния, травматические или глобальные гипоксические повреждения головного мозга, и диабетической микроангиопатии1,2,3,4,5,6 может нарушить способность мозга к ауторегулированию его кровотока. Например, хроническая гипертензия смещает эффективный ауторегуляторный диапазон в сторону более высокого давления7,8,9,а диета с высоким содержанием соли (ГС) не только мешает нормальному эндотелиево-зависимому расширению в микроциркуляции головного мозга10,но и ухудшает способность ауторегуляторных механизмов в мозговой циркуляции расплещеть и поддерживать перфузию тканей при снижении артериального давления на11. Церебральный авторегуляции также нарушается в Dahl соль чувствительных крыс, когда они кормят Диета СС12.
Во время снижения артериального давления, расширение артерий и артериол церебральной резистентности первоначально возвращает мозговой кровоток для контроля значений, несмотря на снижение перфузионного давления. По мере того как артериальное давление уменьшено более далее, церебральный кровоток остает постоянн на более низком давлении (фаза плато autoregulatory реакции) до тех пор пока сосуд не не сможет no longer удлинить для поддержания кровотока на более низком давлении. Наименьшее давление, при котором орган может поддерживать нормальный кровоток, называется нижним пределом авторегуляции (LLA). При давлении ниже LLA, мозговой кровоток значительно уменьшается от значений отдыха и уменьшается линейным способом с каждым снижением артериального перфузионного давления13,14. Восходящий сдвиг в ЛПЛА, как это наблюдается при гипертонии7,8,9,может увеличить риск и тяжесть ишемической травмы в условиях снижения артериального перфузионного давления (например, инфаркт миокарда, ишемический инсульт или кровеносный шок).
LDF оказался чрезвычайно ценным подходом к оценке кровотока в микроциркуляции при различных обстоятельствах, включая ауторегулирование кровотока в мозговой циркуляции11,14,15. В дополнение к оценке ауторегуляторных реакций, LDF может быть использован для мониторинга коркового кровотока при исследовании метаболических, миогенных, эндотелиальных, гуморальных или нейронных механизмов, которые регулируют мозговой кровоток и влияние различных экспериментальных вмешательств и патологических условий на мозговой кровоток10,16,17,18,19,20,21.
LDF измеряет сдвиг в отраженном лазерном свете в ответ на количество и скорость движущихся частиц – в данном случае, эритроциты (РБК). Для исследований авторегуляции церебральных сосудов артериальное давление изменяется либо путем вливания альфа-адренергического агониста для повышения артериального давления (потому что само кровообращение нечувствительно к альфа-адренергическим вазонсукторамов)12,15 или с помощью контролируемого вывода объема крови для снижения артериального давления11,14. В настоящем исследовании, LDF используется, чтобы продемонстрировать влияние градуированных снижение артериального давления на церебральный авторегуляции у здоровой крысы. Хотя открытые и закрытые методы черепа были описаны в литературе22,23,24,25, в настоящее время документ демонстрирует закрытый препарат черепа, что позволяет мозгового кровотока для оценки без проникновения черепа или установки камеры или мозгового окна.
Protocol
Representative Results
Discussion
Оценка тканевого кровотока Ответы с лазерной доплера Flowmetry (LDF). Как отмечалось выше, сигнал LDF пропорционален количеству и скорости движущихся частиц, в данном случае РБК, в микроциркуляции. LDF чтения в различных органах хорошо коррелируют с цельным кровотоком органов оценивае?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают искренную благодарность Калей Козак, Меган Стампф и Джеку Буллису за их выдающуюся помощь в завершении этого исследования и подготовке рукописи. Грантовая поддержка: NIH #R01-HL128242, #R21-OD018309 и #R21-OD024781.
Materials
| 3-0 braided black silk suture | Midwest Vet | 193.73000.2 | |
| Arterial Pressure Transducer | Merit Medical | 041516504A | |
| Automated Data Acquisition Systems (WINDAQ & BIOPAC system) | DATAQ Instruments | ||
| Blood Pressure Display Unit | Stoelting | 50115 | |
| Circulating warm water pump | Gaymar Industries | T-pump | |
| End-tidal CO2 monitor | Stoelting | Capstar-100 | |
| Heparin Sodium | Midwest Vet | 191.46720.3 | |
| Kimwipe | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Laser Doppler Flow Meter | Perimed | PeriFlux 5000 LDPM | |
| Laser Doppler Refill Motility Standard | Perimed | PF1001 | |
| Polyethylene Tubing (PE240) (for trachea cannula) | VWR | 63018-828 | |
| Polyethylene Tubing (PE50) (for femoral catheters) | VWR | 63019-048 | |
| Rodent Ventilator | Cwe/Stoelting | SAR-830/P | |
| Saline | Midwest Vet | 193.74504.3 | |
| Sprague-Dawley Outbred Rats | Variable | N/A | Rats were ordered from various companies |
| Standard Rat Chow | Dyets, Inc. | 113755 | |
| Stereotaxic Instrument | Cwe/Stoelting | Clasic Lab Standard |
Riferimenti
- Aso, Y., Inukai, T., Takemura, Y. Evaluation of microangiopathy of the skin in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus by laser Doppler flowmetry; microvasodilatory responses to beraprost sodium. Diabetes Research and Clinical Practice. 36, 19-26 (1997).
- Golding, E. M., Robertson, C. S., Bryan, R. M. The consequences of traumatic brain injury on cerebral blood flow and autoregulation: a review. Clinical and Experimental Hypertension. 21, 299-332 (1999).
- Grunwald, J. E., DuPont, J., Riva, C. E. Retinal haemodynamics in patients with early diabetes mellitus. British Journal of Ophthalmology. 80, 327-331 (1996).
- Mankovsky, B. N., Piolot, R., Mankovsky, O. L., Ziegler, D. Impairment of cerebral autoregulation in diabetic patients with cardiovascular autonomic neuropathy and orthostatic hypotension. Diabetic Medicine. 20, 119-126 (2003).
- Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
- Taccone, F. S., et al. Cerebral autoregulation is influenced by carbon dioxide levels in patients with septic shock. Neurocritical Care. 12, 35-42 (2010).
- Barry, D. I., et al. Cerebral blood flow in rats with renal and spontaneous hypertension: resetting of the lower limit of autoregulation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2, 347-353 (1982).
- Faraci, F. M., Baumbach, G. L., Heistad, D. D. Cerebral circulation: humoral regulation and effects of chronic hypertension. Journal of the American Society of Nephrology. 1, 53-57 (1990).
- Strandgaard, S. Autoregulation of cerebral blood flow in hypertensive patients. The modifying influence of prolonged antihypertensive treatment on the tolerance to acute, drug-induced hypotension. Circulation. 53, 720-727 (1976).
- McEwen, S. T., Schmidt, J. R., Somberg, L., de la Cruz, L., Lombard, J. H. Time-course and mechanisms of restored vascular relaxation by reduced salt intake and angiotensin II infusion in rats fed a high-salt diet. Microcirculation. 16, 220-234 (2009).
- Allen, L. A., et al. High salt diet impairs cerebral blood flow regulation via salt-induced angiotensin II suppression. Microcirculation. , e12518 (2018).
- Smeda, J. S., Payne, G. W. Alterations in autoregulatory and myogenic function in the cerebrovasculature of Dahl salt-sensitive rats. Stroke. 34, 1484-1490 (2003).
- Greene, N. H., Lee, L. A. Modern and Evolving Understanding of Cerebral Perfusion and Autoregulation. Advances in Anesthesia. 30, 97-129 (2012).
- Merzeau, S., Preckel, M. P., Fromy, B., Leftheriotis, G., Saumet, J. L. Differences between cerebral and cerebellar autoregulation during progressive hypotension in rats. Neuroscience Letters. 280, 103-106 (2000).
- Zagorac, D., Yamaura, K., Zhang, C., Roman, R. J., Harder, D. R. The effect of superoxide anion on autoregulation of cerebral blood flow. Stroke. 36, 2589-2594 (2005).
- Hudetz, A. G., Lee, J. G., Smith, J. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Effects of volatile anesthetics on cerebrocortical laser Doppler flow: hyperemia, autoregulation, carbon dioxide response, flow oscillations, and role of nitric oxide. Advances in Pharmacology. 31, 577-593 (1994).
- Hudetz, A. G., Shen, H., Kampine, J. P. Nitric oxide from neuronal NOS plays critical role in cerebral capillary flow response to hypoxia. American Journal of Physiology. 274, H982-H989 (1998).
- Okamoto, H., Hudetz, A. G., Roman, R. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Neuronal NOS-derived NO plays permissive role in cerebral blood flow response to hypercapnia. American Journal of Physiology. 272, H559-H566 (1997).
- Okamoto, H., Roman, R. J., Kampine, J. P., Hudetz, A. G. Endotoxin augments cerebral hyperemic response to halothane by inducing nitric oxide synthase and cyclooxygenase. Anesthesia and Analgesia. 91, 896-903 (2000).
- Schulte, M. L., Hudetz, A. G. Functional hyperemic response in the rat visual cortex under halothane anesthesia. Neuroscience Letters. 394, 63-68 (2006).
- Schulte, M. L., Li, S. J., Hyde, J. S., Hudetz, A. G. Digit tapping model of functional activation in the rat somatosensory cortex. Journal of Neuroscience Methods. 157, 48-53 (2006).
- Alkayed, N. J., et al. Inhibition of brain P-450 arachidonic acid epoxygenase decreases baseline cerebral blood flow. American Journal of Physiology. 271, H1541-H1546 (1996).
- Alonso-Galicia, M., Hudetz, A. G., Shen, H., Harder, D. R., Roman, R. J. Contribution of 20-HETE to vasodilator actions of nitric oxide in the cerebral microcirculation. Stroke. 30, 2727-2734 (1999).
- Kurosawa, M., Messlinger, K., Pawlak, M., Schmidt, R. F. Increase of meningeal blood flow after electrical stimulation of rat dura mater encephali: mediation by calcitonin gene-related peptide. British Journal of Pharmacology. 114, 1397-1402 (1995).
- Mayhan, W. G., Faraci, F. M., Heistad, D. D. Impairment of endothelium-dependent responses of cerebral arterioles in chronic hypertension. American Journal of Physiology. 253, H1435-H1440 (1987).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for tracheostomy in the rat. MethodsX. 5, 61-67 (2018).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for femoral vascular access in the rat. MethodsX. 4, 498-507 (2017).
- Takada, J., et al. Valsartan improves the lower limit of cerebral autoregulation in rats. Hypertension Research. 29, 621-626 (2006).
- Jones, S. C., Radinsky, C. R., Furlan, A. J., Chyatte, D., Perez-Trepichio, A. D. Cortical NOS inhibition raises the lower limit of cerebral blood flow-arterial pressure autoregulation. American Journal of Physiology. 276, H1253-H1262 (1999).
- Smits, G. J., Roman, R. J., Lombard, J. H. Evaluation of laser-Doppler flowmetry as a measure of tissue blood flow. Journal of Applied Physiology (1985). 61, 666-672 (1986).
- Durand, M. J., Raffai, G., Weinberg, B. D., Lombard, J. H. Angiotensin-(1-7) and low-dose angiotensin II infusion reverse salt-induced endothelial dysfunction via different mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299, H1024-H1033 (2010).
- Lombard, J. H., Sylvester, F. A., Phillips, S. A., Frisbee, J. C. High-salt diet impairs vascular relaxation mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 284, H1124-H1133 (2003).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Elevated salt intake impairs dilation of rat skeletal muscle resistance arteries via ANG II suppression. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278, H500-H506 (2000).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Angiotensin II AT1 receptors preserve vasodilator reactivity in skeletal muscle resistance arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 280, H2196-H2202 (2001).
- Liu, Y., Rusch, N. J., Lombard, J. H. Loss of endothelium and receptor-mediated dilation in pial arterioles of rats fed a short-term high salt diet. Hypertension. 33, 686-688 (1999).
- Priestley, J. R., et al. Reduced angiotensin II levels cause generalized vascular dysfunction via oxidant stress in hamster cheek pouch arterioles. Microvascular Research. 89, 134-145 (2013).
- McEwen, S. T., Balus, S. F., Durand, M. J., Lombard, J. H. Angiotensin II maintains cerebral vascular relaxation via EGF receptor transactivation and ERK1/2. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 297, H1296-H1303 (2009).
- Jensen, N. F., Todd, M. M., Kramer, D. J., Leonard, P. A., Warner, D. S. A comparison of the vasodilating effects of halothane and isoflurane on the isolated rabbit basilar artery with and without intact endothelium. Anesthesiology. 76, 624-634 (1992).
- Avram, M. J., et al. Isoflurane alters the recirculatory pharmacokinetics of physiologic markers. Anesthesiology. 92, 1757-1768 (2000).
- Wang, Z., Schuler, B., Vogel, O., Arras, M., Vogel, J. What is the optimal anesthetic protocol for measurements of cerebral autoregulation in spontaneously breathing mice?. Experimental Brain Research. 207, 249-258 (2010).
- Ayata, C., et al. Pronounced hypoperfusion during spreading depression in mouse cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 24, 1172-1182 (2004).
- Niwa, K., et al. Cerebrovascular autoregulation is profoundly impaired in mice overexpressing amyloid precursor protein. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283, H315-H323 (2002).
- Carreira, S., et al. Diaphragmatic Function Is Preserved during Severe Hemorrhagic Shock in the Rat. Anesthesiology. 120, 425-435 (2014).
- Kerby, J. D., et al. Resuscitation from hemorrhagic shock with HBOC-201 in the setting of traumatic brain injury. Shock. 27, 652-656 (2007).
- Krejci, V., et al. Continuous measurements of microcirculatory blood flow in gastrointestinal organs during acute haemorrhage. British Journal of Anaesthesia. 84, 468-475 (2000).
- Rosengarte, B., Hecht, M., Wolff, S., Kaps, M. Autoregulative function in the brain in an endotoxic rat shock model. Inflammation Research. 57, 542-546 (2008).
- Rozet, I., et al. Cerebral autoregulation and CO2 reactivity in anterior and posterior cerebral circulation during sevoflurane anesthesia. Anesthesia and Analgesia. 102, 560-564 (2006).
- Hudetz, A. G., Biswal, B. B., Feher, G., Kampine, J. P. Effects of hypoxia and hypercapnia on capillary flow velocity in the rat cerebral cortex. Microvascular Research. 54, 35-42 (1997).
- Shi, Y., et al. Interaction of mechanisms involving epoxyeicosatrienoic acids, adenosine receptors, and metabotropic glutamate receptors in neurovascular coupling in rat whisker barrel cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 28, 111-125 (2008).
